Bài giảng các quá trình sinh học trong kỹ thuật môi trường chương 4 quá trình sinh trưởng bám dính (phần 2)

BK TPHCM BÀI GIẢNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Chương IV: QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG BÁM DÍNH - P2 (Attached-Growth Treatment Processes) (Biofilm reactor) GVHD: TS Lê Hoàng Nghiêm Email: hoangnghiem72@gmail.com hoangnghiem72@yahoo.com BK TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC ™ Hội đồng nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ (National Research Council NRC) đă xây dựng cơng thức tính toán dựa số liệu vận hành 34 bể lọc sinh học sử dụng giá thể đá để xử lý nước thải từ quân Đối với hệ thống gồm bể sinh học đơn, công thức tính tốn sau: ™ US: ™ SI: E1 = + 0,0561(W / VF ) E1 = + 0,014(W / VF )1/ 1/ (4.21) (4.22) E1 – hiệu suất xử lý BOD5 hệ thống bể lọc sinh học đơn bể lắng W – lượng BOD5 cần chuyển hóa bể lọc, lb/ngày (kg/ngày); khơng bao gồm BOD5 dịng tuần hoàn; V – thể tıc ́ h tổng cộng bể lọc sinh học, 1000 ft3 (1000 m3); F – hệ sớ tuần hồn TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC ™F – hệ sớ tuần hồn cho bể xác định theo công thức: 1+ R F= [1 + (1 − δ )R ] (4.23) R – Tỉ lệ tuần hoàn ( tỉ lệ nước tuần hồn so với lượng nước dịng vào bể lọc) δ – hệ số tỉ lệ tính đến lượng giảm chất cho lần tuần hoàn qua bể lọc = 0,9; TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC ™Trong hệ thống gồm hai bể lọc sinh học hiệu bể thứ tính theo cơng thức; E = (4.24) 1/ 2 ™Hệ đơn vị US: ™Hệ đơn vị SI: E2 = ⎡ ⎤ W2 + 0,0561⎢ 2⎥ ⎣ V2 F (1 − E1 ) ⎦ Hay E2 = 1/ 0,0561 ⎡ W2 ⎤ 1+ − E1 ⎢⎣ V2 F ⎥⎦ 1/ ⎡ ⎤ W2 + 0,014 ⎢ ⎥ ⎣ V2 F (1 − E1 ) ⎦ Hay E = 1/ 0,014 ⎡ W2 ⎤ 1+ − E1 ⎢⎣ V2 F ⎥⎦ ( 25 ) E2 – hiệu xử lý BOD5 qua bể lọc thứ hai; W2 – lượng BOD5 lọc bể lọc thứ 2, lb/ngày; V2 – thể tı́ch bể lọc thứ hai, 1000 ft3; TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC ™Nếu áp dụng phương trình NRC để thiết kế bể lọc cơng thức biến đổi để tính tốn sau: (1 + 0,1R ) V1 = 0,0263QS0 1+ R ⎛ E1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ − E1 ⎠ (4.26) V1 – thể tı́ch bể lọc thứ 1, 1000 ft3; Q – lưu lượng dòng vào, MGD; S0 – nồng độ chất đầu vào, mg/l; (1 + 0,1R) V2 = 0,0263QS1 1+ R ⎛ ⎞ E2 ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ (1 − E1 )(1 − E2 ) ⎠ (4.27) S1 – nồng độ BOD5 đầu từ bể thứ nhất; TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC ™Ví dụ 4.2: Thiết kế hệ thống bể lọc sinh học gồm hai bể lọc để xử lý nước thải có lưu lượng MGD, nồng đợ BOD5 400mg/l Mỗi bể lọc có chiều cao ft và R = 4:1 Hiệu xử lý BOD5 tổng cộng theo yêu cầu 90% 1MGD*3,7854*103 = m3/ngày; 1ft = 0,3048 m ft3 * 2,8317*10-2 = m3 mg/L = 8,34 lb/MG (million gallons) m = 3,2808 ft; 1ft3 = 7,480 gal; pound (lb) = 453,6 g; kg = 2,2046 lb; TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BÀI GIẢI VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC BK TPHCM Hầu hết thiết kế hiệu thì thể tıć h hai bể lọc phải giống Để xá c định thể tıć h này, ta dùng phương pháp thử và sai để giả thuyết hiệu bể lắng thứ và tın ́ h hiệu bể lắng thứ hai và kết hợp tính thể tıć h hai bể Khi thể tıć h hai bể gần giống nhau, đó là thể tıć h ta cần tính Quan hệ E1 và E2 biểu diễn qua hiệu khử BOD5: E1 + (1 – E1)E2 = Etotal ™ Thay Etotal = 0,9 và E2 tính sau: 0,9 − E1 E2 = − E1 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BÀI GIẢI VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC BK TPHCM Tính tốn thử dần lần thứ Cho E1 = 0,8, ta tính thể tıć h bể lọc thứ từ phương trình (4.26): V1 [ + (0,1)(4)] ⎛ = (0,0263)(2)(400) 1+ 0,8 ⎞ ⎜ ⎟ = 131,95 (1000 ft ) ⎝ − 0,8 ⎠ Tính giá tri ̣ E2 từ giá tri ̣ nà y và phương trình (4.27) ta tính thể tıć h V2 : 0,9 − 0,8 E2 = Do đó: V2 [ + (0,1)(4)] ⎡ = (400)(1 − 0,8)(2)(0,0263) 1+ − 0,8 = 0,5 ⎤ 0,5 = 41 , 23 ( 1000 ft ) ⎢ (1 − 0,8)(1 − 0,5) ⎥ ⎣ ⎦ TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BÀI GIẢI VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC BK TPHCM Tính tốn thử dần lần thứ hai Cho E1 = 0,75 ta tính thể tıć h bể lọc thứ từ phương trình (4.26): V1 = (0,0263)(2)(400) [1 + (0,1)(4)] 1+ ⎛ 0,75 ⎞ ⎜ ⎟ = 74,22 (1000 ft ) ⎝ − 0,75 ⎠ Tính giá tri ̣ E2 thể tıć h V2 : E = 0,9 − 0,75 = 0,6 − 0,75 V2 [ + (0,1)(4)] ⎡ = (400)(1 − 0,75)(2)(0,0263) 1+ 0,6 ⎤ = 74 , 22 ( 1000 ft ) ⎢ (1 − 0,75)(1 − 0,6) ⎥ ⎣ ⎦ TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BÀI GIẢI VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ LỌC SINH HỌC THEO CÔNG THỨC NRC BK TPHCM Q trình tính tốn cho ta hiệu bể thứ và thứ hai E1 và E2 Và thể tıć h 74,22 thể tıć h chọn thiết kế Tính đường kính bể: Ta có diện tích = thể tıć h/đợ sâu = 74330/8 = 9288 ft2 Bán kính bể lọc: ⎛ 4A ⎞ D=⎜ ⎟ ⎝ π ⎠ 10 1/ ⎡ (4)(9288) ⎤ =⎢ ⎥⎦ π ⎣ 1/ = 109 ft TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM MÔ HÌNH HO HÓÙA BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (3) ™ Trong bể lọc sinh học dòng nước thải di chuyển quanh co theo hình dáng hình học xếp vật liệu lọc Thời gian tiếp xúc trung bình t tính toán theo công thức Howland (1957) sau: CD t = n QL ( 10 ) QL = Tải trọng thủy lực nước thải bề mặt bể lọc, m3/m2xngày, QL = Q/A Q - Lưu lượng nước thải theo tính toán thiết kế, m3/ngày A - Diện tích mặt cắt ngang bể lọc, m2 C,n - Các số thực nghiệm, n = 0.3 – 0.7 D - Chiều cao lớp vật liệu lọc, m 38 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM MÔ HÌNH HO HÓÙA BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (4) ™ Thay phương trình (4.9) (4.10) vào phương trình (4.8): Se −[ kAsmCD / QLn ] =e (4.11) So ™ Đặt phương trình K = kAsmC (4.11) viết lại: Se −[ KD / QLn ] =e (4.12) So ™ Thông số động học K số n xác định dựa số liệu thí nghiệm Se, So, D, QL nghiên cứu mô hình phòng thí nghiệm ™ K nhiệt đợ 20oC = 0.69/ngày ™ n nhiệt độ 20oC = 0.67 ™ K = số tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất nước thải, thiết kế bể lọc và bể lắng, điều kiện vận hành K T = K 20 (1.035)T − 20 (4.13) 39 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM MÔ HÌNH HO HÓÙA BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (5) ™ Phương trình (4.12) thích hợp với trường hợp bể lọc sinh học tuần hoàn nước sau xử lý ™ Trong trường hợp nước thải sau xử lý tuần hoàn để pha loãng nước thải đầu vào, phương trình (4.12) biến đổi sau: n Se Sa = e − KD / QL (4.14) n − KD / QL (1 + R ) − Re Sa - Nồng độ chất hỗn hợp dòng nước thải thô dòng tuần hoàn (dòng sau xử lý) Sa tính công thức: Sa = (So + RSe)/(1+R) R – Tỷ số tuần hoàn, R = Qr/Q Qr – Lưu lượng nước thải tuần hoàn 40 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC ⎛ Se ⎞ KD ™ Lấy lôgarit số e hai vế phương trình (4.12): ⎟⎟ = − n (4.15) ln⎜⎜ QL ⎝ So ⎠ BK TPHCM ™ Đây phương trình đường thẳng hệ trục tọa độ bán logarit có hệ số gốc: −n s = − KQL (4.16) ™ Lấy lôgarit hai vế phương trình (4.16): ln s = n ln QL + ln K ( 4.17 ) ™ Phương trình (4.17) có dạng phương trình đường thẳng y = ax + b, với: y = ln s a=n x = ln Q L b = ln K ™ Khi biết cặp giá trị (x,y) vẽ đường thẳng hệ tọa độ log-log có hệ số gốc a giao điểm với trục tung b Khi biết a,b suy giá trị n K 41 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM BK TPHCM 42 MÔ HÌNH TH THÍÍ NGHIE NGHIỆÄM BE BỂÅ SINH HO HỌÏC TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (1) BK TPHCM Nội dung thí nghiệm Vận hành khởi động mô hình thí nghiệm với loại nước thải cần nghiên cứu, tải trọng thể tích bề mặt giới hạn nhỏ 40L/m2/phút, để tạo lớp màng vi sinh vật bề mặt vật liệu lọc (còn gọi giá thể lọc) Để tăng nhanh trình tạo màng vi sinh vật, hỗn hợp nước thải có chứa bùn hoạt tính pha loãng sử dụng cho giai đoạn khởi động Sau giai đoạn khởi động, lớp màng vi sinh vật tạo thành bề mặt vật liệu lọc Chọn giá trị lưu lượng (hay tải trọng thể tích bề mặt) để tiến hành thí nghiệm nghiên cứu Lần lượt vận hành bể lọc với lưu lượng thí nghiệm chọn đến bể lọc “đạt trạng thái ổn định” Trạng thái ổn định trạng thái mà nồng độ chất nước thải sau xử lý (COD, BOD, TOC) không thay đổi theo thời gian Khi sử dụng vòng hay plastic làm vật liệu lọc thí nghiệm tải trọng bề mặt nên chọn khoảng 20 đến 120L/m2/phút 43 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (2) BK TPHCM Nội dung thí nghiệm Mẫu nước thải nên lấy vị trí dọc chiều cao lớp vật liệu lọc tương ứng với lưu lượng thí nghiệm Các tiêu cần phân tích COD, BOD (hoặc TOC) đạt kết thích hợp (trạng thái ổ định) Ngoài cần xác định tiêu pH, độ kiềm, độ acid, nhiệt độ để cung cấp đầy đủ sở khoa học trình nghiên cứu Vẽ đường biểu diễn (So/Se) (tính BOD ,COD hay TOC) theo chiều cao lấy mẫu D cho lưu lượng QL dựa phương trình (4.15) giấy đồ họa bán logarit họ đường thẳng, đường thẳng có độ dốc s Tính toán giá trị s 44 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC(3) C(3) BK TPHCM Nội dung thí nghiệm Vẽ đường biểu diễn phương trình (4.16) giấy log-log giá trị s trục tung giá trị QL tương ứng trục hoành Sử dụng phương pháp phân tích hồi qui tuyến tính xác định độ dốc n đường thẳng hồi qui Giá trị K xác định từ giao điểm đường thẳng hồi qui trục tung Giá trị K xác định xác theo phương pháp sau Do biết giá trị n, phương trình (4.15) viết lại: ⎡ D ⎤ ⎛ Se ⎞ ⎟⎟ = − K ⎢ n ⎥ ln⎜⎜ ⎢⎣ Q L ⎥⎦ ⎝ So ⎠ Vẽ đường thẳng biểu diễn Se/So theo QLn giấy bán lôgarit, K hệ số gốc đường thẳng 45 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (4) BK TPHCM Ví dụ 4.1: Xác định thông số động học trình sinh học bám dính bể lọc sinh học Kết thí nghiệm xác định thông số động học cho nước thải sinh hoạt mô hình bể lọc sinh học 20oC trình bày bảng sau Tải trọng thủy lực bề mặt bể lọc tương ứng với đợt thí nghiệm 0,5; 1,0; 1,5 2,0 m3/m2/ngày.Điểm lấy mẫu để xác định tiêu thí nghiệm độ cao 1,5; 3,0; 4,5 6,0 mét Xác định thông số động học K n công thức Eckenfelder Chiều cao, D (m) 46 % BOD5 lại nước thải đầu (Se/So) Tải trọng thủy lực bề mặt, QL (m3/m2/ngày) 0,5 1,0 1,5 2,0 1,5 81 84 87 93 3,0 65 73 79 83 4,5 51 62 69 75 6,0 42 54 62 69 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (5) BK TPHCM Theo công thức Eckenfelder: Se =e n] −[ KD / QL So Để tìm số mũ n số tốc độ phản ứng K, lấy logarit số e hai vế phương trình trên: ⎛ Se ⎞ K ⎟⎟ = − n D ln⎜⎜ QL ⎝ So ⎠ Vẽ đường thẳng biểu diễn Se/So theo D ứng với QL giấy bán lôgarit Họ đường thẳng biễu diễn hình vẽ sau Hệ số gốc s đường thẳng Δ⎛⎜ ln S e ⎞⎟ / ΔD , kết ⎜ S ⎟ ⎝ o⎠ trình bày bảng sau 47 Tải trọng thủy lực (m3/m2/ngày) Độ doác (m-1) 0,5 - 0.148 1,0 - 0,099 1,5 - 0,076 2,0 - 0,067 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (6) BK TPHCM Hình vẽ: Họ đường thẳng biểu diễn Se/So theo D 48 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (7) BK TPHCM Vẽ đường biểu diễn giá trị s trục tung theo giá trị QL tương ứng trục hoành giấy log-log (Hình vẽ) Sử dụng phương pháp phân tích hồi qui tuyến tính xác định độ dốc n đường thẳng hồi qui n=− 49 ln ,148 − ln ,067 ln − ln ,5 = ,57 Hình vẽ: Đường hồi qui tuyến tính biểu diễn s theo QL TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (8) BK TPHCM Từ giá trị biết n, lập bảng tính toán Bảng sau: D 50 1,50 QL 0,5 D/(QL)0,57 Se/So 3,00 0,5 4,45 65 4,50 0,5 6,68 51 6,00 0,5 8,91 42 1,50 1,0 1,5 84 3,00 1,0 3,0 73 4,50 1,0 4,5 62 6,00 1,0 6,0 54 1,50 1,5 1,19 87 3,00 1,5 2,38 79 4,50 1,5 3,57 69 6,00 1,5 4,76 62 1,50 2,0 1,01 93 3,00 2,0 2,02 83 4,50 2,0 3,03 75 6,00 2,0 4,04 69 2,23 81 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (9) BK TPHCM Vẽ đường Se/So theo D/(Ql)0,57 giấy bán lôgarit D/(Ql)0,57 Hình vẽ: Đường thẳng hồi qui tuyến tính biểu diễn Se/So theo D/(Ql)0,57 51 TS.LÊ HỒNG NGHIÊM XA ỊNH THÔNG SO ỘNG XÁÙC Đ ĐỊNH SỐÁ Đ ĐỘ NG HO HỌÏC CHO BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (10) BK TPHCM ™Hệ số gốc K đường thẳng hồi qui tuyến tính: K=− ln 93 − ln 51 1,01 − 6.68 = ,106 ™Phương trình thiết kế dựa kết nghiên cứu là: [ ( ,57 S e = S o exp − ,106 D Q L 52 )] TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM ... SINH HO HỌÏC (4) BK TPHCM Ví dụ 4. 1: Xác định thông số động học trình sinh học bám dính bể lọc sinh học Kết thí nghiệm xác định thông số động học cho nước thải sinh hoạt mô hình bể lọc sinh học. .. (1.035)T − 20 (4. 13) 39 TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM BK TPHCM MÔ HÌNH HO HÓÙA BE BỂÅ SINH HO HỌÏC (5) ™ Phương trình (4. 12) thích hợp với trường hợp bể lọc sinh học tuần hoàn nước sau xử lý ™ Trong trường hợp... Se/So 3,00 0,5 4, 45 65 4, 50 0,5 6,68 51 6,00 0,5 8,91 42 1,50 1,0 1,5 84 3,00 1,0 3,0 73 4, 50 1,0 4, 5 62 6,00 1,0 6,0 54 1,50 1,5 1,19 87 3,00 1,5 2,38 79 4, 50 1,5 3,57 69 6,00 1,5 4, 76 62 1,50